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浅谈钢结构的防火性能及钢结构防火措施

日期:2018-04-03 08:31:10   人气:  

钢结构由于其强度高,塑性韧性好、质量轻和施工速度快等优点在我国得到了广泛的应用。近百年来得到了快速的发展,尤其是在上世纪下半叶,随着世界钢产量大幅度增加,钢结构也相应更加扩展了应用领域,特别是在大跨度、高耸、超高层、重型、动力荷载结构范围内钢结构大量的被使用。然而钢结构却有一个不容忽视的问题:钢结构的抗火性能。火灾对钢结构的威胁远远大于钢筋混凝土结构,钢结构在火灾中被烧塌破坏的事故国内外屡见不鲜。

钢结构火灾下破坏机理

钢材对温度相当敏感,但温度升高与降低都使钢材性能发生变化。相比之下,低温性能更重要。下图为钢材的机械性能与温度间的关系曲线。

高温屈服强度与室温屈服强度之比

总的趋势是随着温度的升高,钢材强度降低,变形增大。约在200℃以内钢材性能没有很大变化,430-540℃之间则强度急剧下降;到600℃时强度很低不能承担荷载。此外,250℃附近有兰脆现象,约260-320℃时有徐变现象。兰脆现象指温度在250℃左右的区间内, 有局部性提高, 也有回升现象,同时塑性有所降低,材料有转脆倾向。在兰脆区进行热加工,可能引起裂纹。徐变现象指在应力持续不变的情况下钢材以很缓慢的速度继续变形的现象。结合200℃以内材性无大变化的性能看,结构表面所受辐射温度应不超过这一温度。设计时以规定150℃为适宜,超过之后结构表面即需加设隔热保护层。钢材在高温下强度降低,尤其是600℃以后几乎丧失承载能力,使其耐火性能很低。为了满足建筑物防火要求,需要用耐火材料加以防护,从而提高了钢结构的造价。目前国内外都已开发出具有一定耐火性能的钢材。

钢结构防火设计及相关措施

防火设计的依据是火灾危险性类别, 从而确定建筑耐火等级及其它防火、防爆措施。火灾危险性主要是根据生产中使用或产生的物质性质及其数量等因素进行来考虑。《建筑设计防火规范》第3.1.2条中规定构件的燃烧性能和耐火极限按高低顺序共分为甲、乙、丙、丁、戊5类。火灾危险主要考虑以下几个方面:①生产中使用的全部原材料的性质;②生产中操作条件的变化是否会改变物质的性质;③生产中产生的全部中间产物的性质;④生产中最终产品及副产物的性质;⑤生产的火灾危险性分类按其中最危险的物质确定。

有效的防火分区是建筑必须采取的保护措施之一。防火分区可以在厂房内部防止火势向其他区域蔓延、扩散, 有效地控制火灾的范围。不过对于现代钢结构厂房的大跨度、大空间及其所需要的生产工艺流程来说, 防火分区的设置具有一定难度。常用的分区方法有以下几种:①防火墙。在生产工艺流程和生产管理中没有特殊要求的情况下, 采取防火墙是简单、有效并且造价低廉的一种方法。②防火门。防火卷帘, 可用于小跨度分区中。③自动喷水灭火系统。在只需分两个分区及厂房高度不超过8 m 的情况下, 可设置自动喷水灭火系统, 使允许的防火分区面积增加一倍, 以达到规范要求。④独立水幕。这是一个较好的分区方法, 不存在跨度问题, 水幕喷头防火水幕带宜采用喷雾型喷头, 也可采用雨淋式水幕喷头, 喷头的排列不应少于3 排, 防火水幕带形成的水幕宽度不宜小于5 m,流量2 L/( s- m) 。但存在维护保养困难的问题, 为防止误操作, 应采取人工、自动两种启动方式。⑤防火带。由于生产工艺流程和生产管理需要而无法设防火墙时, 可设防火带进行防火分区。即在有可燃构件的厂房中划出一段区域, 这个区域内的构件全部采用不燃性材料, 并采取措施防止烟火在分区间流窜, 也可起到防火分隔的作用。

除上述的防火分区外,防止钢结构在火灾中迅速升温发生变形塌落的几种钢结构防火措施如下:1 涂刷防火涂料法、2 发泡防火漆法、3 外包保护层法、4 水冷却法、5 彻底屏蔽法。上述的五种方法被称为主动防火措施。其中涂刷防火涂料是设计首选的一种方法。涂刷在钢结构表面防火涂料,能形成耐火隔热保护层,以提高钢结构耐火极限。而防火漆是由成膜剂、阻燃剂、发泡剂等多种材料制造而成的一种阻燃涂料。一般油漆相比,在物理性能方面基本一样,不同的是它干燥以后,漆膜本身不易燃烧,遇火时,能推迟火焰延烧到涂漆的可燃物上,具有一定的防火性能。水冷却法是在空心钢构件内充水,采用循环水进行冷却是抵御火灾最有效的方法之一。当温度上升时,空心钢构件内的水可带走大量的热,受热的水经冷却降温循环使用或经外部引入冷水引出热水,从而使钢构件在火灾时保持较低温度。这种技术在国外被广泛地使用在钢柱的防护中。彻底屏蔽法是用耐火材料组成的构件将钢结构彻底屏蔽,是最经济的保护方法。

结论

1、火灾下为满足结构耐火极限要求, 一般需对钢构件进行防火保护。目前的主要防火措施为包覆防火涂料或防火板。由于钢材导热性好, 采取防火保护的钢构件的内部温度可假定为均匀分布, 再由火灾环境传入钢构件的热量应等于钢构件升温所吸收的热量, 可建立火灾条件下钢构件升温微分方程。

2、防火涂料是钢结构防火保护的最佳选材,但其会随着保护时间增长,而使其综合性能下降,从而降低其保护钢结构构件防火的能力。

3、火灾探测报警技术。火灾探测报警系统包括探测器和报警控制器两大基本部分。根据所探测的火灾参数的不同,火灾探测器划分为感温、感烟和感光(火焰)、气体和复合式等型式。

4、烟气控制技术。建筑物发生火灾后,有效的烟气控制是保护人们生命财产安全、减少进一步损失的重要手段。控制烟气一般有两种方式:挡烟和排烟。很多大规模的建筑,其烟气控制往往是几种方法的有机结合。排烟形式的合理与否,不仅关系到烟气控制的效果,还有很大的经济意义。


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